CN111693840A - 一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，区别于现有测试方法中将热敏电压作为热敏参数来表征结温，本发明选择肖特基芯片在指定反向电压下的反向电流I_R作为热敏参数，利用肖特基二极管的反向电流与结温呈指数函数关系确定热阻测试时的热敏校正曲线；然后再对肖特基二极管进行稳态偏置电压下的反向电流测试，进而计算出肖特基二极管的结温、反向功耗、以及热阻值。采用本发明所提供的热阻测试方法无需配置专用测试设备，整个测试过程所使用的测试设备均为常规测试仪器，测试***的连接结构非常简单，也很容易实现，对于不具备专用测试设备的中小企业也可以轻松实现对肖特基二极管热阻的测试，测试成本得以降低。

Description

一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法

技术领域

本发明涉及半导体功率器件特性参数的测试，具体涉及一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法。

背景技术

热阻是衡量二极管散热能力的一个重要的热学参数，其物理意义可以类比于一个电阻，电阻在电路中限制或阻碍了电流的流动。而热阻在器件中限制了热能量的流动或转移。

二极管在工作中自身的功耗将全部转化为热量，这一热量发自其中的芯片，并使芯片的温度升高，而芯片的温度越高工作越不稳定，损坏的风险越大。所以通常依据二极管工作的环境温度来限制通过二极管的电流，并以此来限制芯片的工作结温。对于大功率二极管还可通过安装散热器使热量更快的散失到环境来保持结温稳定于规定范围。

结温与功耗、环境温度或器件外壳温度有关，当功耗、环境温度一定时，结温取决于应用***将功耗产生的热量传递到环境的能力，亦即取决于结到环境的安装热阻。在具体应用中，安装后的热阻和环境温度以及交替于正反向工作状态的正向功耗、开关功耗、反向功耗决定了结温及波动的幅度。频率越低开关功耗在总的功耗中占的比例越低，对结温波动的影响越小；而一般情况下反向功耗远小于正向功耗，故结温及在其均值附近波动的幅度主要由正向功耗或正向电流决定。因此国际电工委员会(IEC)将结温作为约束条件利用电流降额曲线对器件的环境温度或外壳温度、功耗或电流予以了限制。

二极管的正向功耗P(W)、结温T_j(℃)、环境温度T_a(℃)、热阻R_ja(℃/W)有以下关系：

P＝I_F×V_F＝(T_j-T_a)/R_ja (1)

其中：

I_F为正向电流(A)；

V_F为正向电压(V)；

R_ja为从芯片的PN结到环境的热阻(℃/W)。

以上参数中除T_j、R_ja以外皆可测试，而如果已知在以上诸条件时的T_j即可计算R_ja，并进而确定额定电流I_F(AV)。

在额定条件下流过二极管的正向电流叫额定电流，额定条件实际是一个或一组规定的条件，在上式中如果规定一个最高结温作为额定结温，规定一安装条件作为确定额定电流的安装条件，则通过上式可确定热阻及额定电流。

公式(1)实际上也给出了热阻的定义，将其稍作变化得到热阻的表达式为：

R_ja＝(T_j-T_a)/P (2)

公式(2)说明：在环境温度T_a时，由芯片中的功耗P产生了结到环境的温差T_j-T_a，而单位功率所导致的温差即为热阻。

依据(2)式可以计算热阻，但需要首先知道T_j、T_a、P。其中T_a、P可以直接测试获得，而T_j必须通过一个与结温有关的称为热敏参数的电学量来表征。通常该电学量与结温有一一对应的关系。如果已知这一对应关系及热敏参数值则可以据此计算出结温T_j。

二极管的主要电特性正向电压V_F、反向电流I_R均与结温有关，因此二者皆可作为热敏参数。由于在恒流条件下的V_F与温度呈很好的线性关系，故用V_F来表征结温就成了目前行业中确定结温的标准方法。为了不使结温受到正向电流的影响，通常选择正向小电流I_Fm下的正向电压V_Fm作为热敏参数。I_Fm通常小于额定电流的5‰，这样在测试V_Fm过程中，由极小的正向功耗P_m＝I_Fm×V_Fm所导致的T_j的微小温升就可以忽略。因而可认为V_Fm只与T_j线性相关。

当选择V_Fm作为热敏参数时，称为热敏电压。热敏电压与结温呈很好的线性关系。所以在测试结温前需要事先确定这一关系。确定的方法是测量在已知的数个不同结温下的热敏电压，然后依据测试结果在坐标系中拟合一条T_j＝f(V_Fm)曲线。该曲线也叫热敏校正曲线，但极为接近直线。利用热敏电压来表征结温的方法也称为热敏电压法。

如果给二极管施加一个稳定的正向电流I_F对二极管结温进行加热，该正向电流I_F可以被视为加热电流，并且延长足够的时间达到热平衡，此时正向功耗P＝I_F×V_F将使其获得稳定的结温T_j。为了测试T_j，需将加热电流快速降为用于测试热敏电压的正向小电流I_Fm，并测试I_Fm下的热敏电压V_Fm，然后利用热敏校正曲线T_j＝f(V_Fm)可计算出此时的结温T_j。有了T_j，利用(2)式即可确定热阻值。

采用上述热敏电压法测试二极管的热阻是目前行业内的通行方法，但是完成以上测试过程需要使用复杂的专用仪器(特别是能将加热电流快速降为测试电流获得热敏电压的专用仪器)，一般中小企业并不具备该测试条件，这就是热阻测试不能像确定其它额定值那样易于实现的原因。

正是基于现有二极管热阻测试方法不易实现的问题，发明人针对肖特基二极管的热阻测试方法进行了改进，选用反向电流I_R作为热敏参数，整个测试过程借助常规测试仪器即可实现，为中小企业进行肖特基二极管的热阻测试提供了便利，测试成本得以降低，本案由此而生。

发明内容

本发明公开一种适用于肖特基二极管热阻测试的方法，测试装置简单且易于实现，测试成本较低。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，包括如下步骤：

步骤1：肖特基二极管的热敏校正曲线测试：

采用肖特基二极管的反向电流I_R作为热敏参数来表征肖特基二极管的结温T_j，肖特基二极管的热敏校正曲线方程为：

上式中，I_R0、T₀皆为常数，I_R0、T₀通过下列表达式计算获得：

T₀＝(T_j2-T_j1)/ln(I_R2/I_R1) (公式2)

或

将肖特基二极管放入烘箱中，设定烘箱温度为T_j1，达到热平衡后向肖特基二极管施加反向脉冲测试电压V_R，获取V_R下的反向电流I_R1；同理，设定烘箱温度为T_j2，达到热平衡后向肖特基二极管施加反向脉冲测试电压V_R，获取V_R下的反向电流I_R2；根据公式2计算出T₀，再根据公式3或公式4计算出I_R0；将计算获得的I_R0、T₀代入公式1绘制热敏校正曲线；

步骤2：对肖特基二极管施加稳态偏置电压条件下的反向电流I_RB测试：

将肖特基二极管放入烘箱中，设定烘箱温度为T_a，对肖特基二极管施加直流反向偏置电压V_RB；待烘箱温度稳定且读取到的反向电流I_RB值保持稳定后，记录此时的烘箱温度T_a、直流反向偏置电压V_RB、以及反向电流I_RB；

步骤3：肖特基二极管热阻R_ja计算：

将反向电流I_RB代入公式1中计算出此时的结温T_j；再依据反向功耗表达式P_R＝I_RB×V_RB计算出肖特基二极管在稳态反向偏置电压下的功耗P_R；最后根据公式R_ja＝(T_j-T_a)/P_R计算出热阻值R_ja。

进一步，所述步骤1中，施加的反向脉冲测试电压V_R脉冲宽度小于等于2mS。

进一步，所述步骤2中，烘箱温度T_a设定为低于肖特基二极管的额定工作结温20℃。

进一步，所述步骤1中的反向脉冲测试电压V_R与步骤2中的直流反向偏置电压V_RB取值相同。

进一步，所述反向脉冲测试电压V_R或直流反向偏置电压V_RB取肖特基二极管反向重复峰值电压标称值的80％。

本发明针对肖特基整流二极管的热阻测试提供了一种新的方法，区别于现有测试方法中将热敏电压作为热敏参数来表征结温，本发明选择肖特基芯片在指定反向电压下的反向电流I_R作为热敏参数，利用肖特基二极管的反向电流与结温呈指数函数关系确定热阻测试时的热敏校正曲线，整个测试过程所使用的测试设备均为常规测试仪器，测试***的连接结构非常简单，也很容易实现，无需专用测试设备，对于不具备专用测试设备的中小企业也可以轻松实现对肖特基二极管热阻的测试，测试成本得以降低。

附图说明

图1为采用本发明方法时，对肖特基二极管进行无偏测试时使用的测试***示意图；

图2为采用本发明方法时，对肖特基二极管进行有偏测试时使用的测试***示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实施例公开一种适用于肖特基二极管热阻测试的方法，其核心环节仍然是对二极管结温的测试。该方法与本发明背景技术中对现有热敏电压法测试热阻的不同之处在于，表征二极管结温的热敏参数采用肖特基芯片在指定的反向电压V_R时的反向电流I_R。本实施例仅对本发明所公开方法中与现有技术存在不同之处详加说明，相同之处以及原理可参考背景技术中给出的介绍。

背景技术中已经介绍了二极管的主要电特性正向电压V_F和反向电流I_R均与结温有关，其实二者皆可作为热敏参数使用。而现有技术中的热敏电压测试方法是用正向热敏电压作为表征结温的热敏参数，其原因主要是热敏电压与结温呈线性关系，因此最初确定热阻的测试方法时就首选了将正向电压作为热敏参数，后续逐渐成为行业内普遍采用的一种通行方法。再者，对于大多数普通整流二极管而言，如果采用反向电流I_R来作为热敏参数，则由于施加在普通整流二极管上的反向功耗远比正向功耗小得多，给热阻的测试会造成很大的误差，这就是为何现有技术中仅考虑将热敏电压作为表征结温的热敏参数的主要原因。

对热阻测试的研究已经形成了一种思维定式，人们很容易忽略了反向电流I_R也与结温有关，也具有作为热敏参数的可行性。特别是对于肖特基二极管而言，其结构及整流原理不同于普通的整流二极管，肖特基二极管的反向电流与结温的关系虽然为非线性，但二者也有比较精确的指数函数对应关系，其形式为：

上式即为本发明热阻测试过程中的热敏校正曲线方程。其中I_R0、T₀皆为常数，需要依据热敏校正的至少两组实测数据来确定，即：假如已知两组实测数据(T_j1,I_R1)、(T_j2,I_R2)，则可得：

T₀＝(T_j2-T_j1)/ln(I_R2/I_R1) (4)

或

本发明热阻测试方法中首先进行热敏校正曲线的测试(也称为无稳态偏置时的I_R测试，简称无偏测试)，以及对参数I_R0、T₀的确定方法如下：

按照图1所示将测试***连接好，图1中“D.U.T”表示被测肖特基二极管样品，K表示开关，测试***需要用到烘箱和I_R测试仪，这两种设备对于普通的二极管生产企业都是常规配备的设备。

热敏校正曲线的测试步骤为：

①将被测肖特基二极管样品D.U.T放入烘箱中，并将样品与I_R测试仪的测试端相连；

②将烘箱温度设置成温度T_j1，令烘箱内温度稳定一段时间；

③将I_R测试仪的反向脉冲测试电压V_R设定为预先规定的数值(通常取肖特基二极管反向重复峰值电压标称值的80％)，测试时间设定应尽量短，例如≤2mS；

④待烘箱内温度稳定样品内部达到热平衡后，闭合开关K向被测样品施加反向脉冲电压V_R，读取并记录此温度下的反向电流I_R＝I_R1；

重复上述步骤②和④进行测试可获得不同烘箱温度下的I_R2、I_R3等数值。

在上述测试过程中，施加的反向脉冲测试电压V_R的脉冲宽度应尽量窄，例如2mS以下，这在一般的二极管分类测试机中极易实现。此时可认为I_R虽对结有微量加热，但导致结温的微幅温升仍可忽略。亦即在测试过程中始终有结温与环境温度相等的关系，即T_j＝T_a。

利用以上记录所获得的测试数据，根据(4)式、(5a)式或(5b)式关系式，或者借助Excel的趋势线公式可确定出I_R0、T₀。至此，针对一个被测样品的热敏校正曲线方程已完全确定。

接下来需要进行施加稳态偏置电压条件下的反向电流I_RB测试(也称为有偏I_RB测试或有偏测试)，此环节所使用的测试***如图2所示，包括烘箱、直流电源及显示仪表(电流表和电压表)，具体测试方法如下：

①将被测肖特基二极管样品“D.U.T”放入烘箱中，并将样品如图2所示与直流电源及显示仪表相连；

②将烘箱温度设定为肖特基二极管的额定工作结温减去20℃(即低于额定工作结温20℃)，启动烘箱；

③将直流电源DPS的输出电压值设定为预先设定好的直流反向偏置电压V_RB，并启动直流电源DPS将直流反向偏置电压V_RB施加至肖特基二极管上；

④等待规定的时间以保证烘箱温度Ta稳定，并注意观察电流表的读数，当电流表显示的稳态偏置电压下的反向电流I_RB不再变化，记录下此时的烘箱温度T_a、直流反向偏置电压V_RB、以及稳态偏置电压下的反向电流I_RB。

获取到上述数据后，计算稳态偏压下的结温T_j、反向功耗P_R、以及热阻R_ja：

①依据(3)式计算T_j：根据(3)式可得T_j＝T₀×ln(I_R/I_R0)，将稳态偏置电压下的反向电流I_RB代入该表达式，即T_j＝T₀×ln(I_RB/I_R0)，即可求得此刻的结温T_j；

②计算稳态偏压下的反向功耗：P_R＝I_RB×V_RB；

③依据公式(2)计算热阻R_ja：R_ja＝(T_j-T_a)/P_R。

下面将给出实际生产过程中应用本实施例热阻测试方法的具体示例数据：

实施例1：

测试样品型号：肖特基整流二极管DSS16；

测试条件：环境温度为T_a＝100℃时的R_ja测试；

已知：

样品数量：5只 封装形式：SOD-123FL

芯片尺寸：32mil 击穿电压：V_B>60V

本测试中所有I_R的测试电压：V_R＝48V

测试步骤：

步骤1：确定热敏校正曲线，进行无偏测试：

I_R1@T_j1＝T_a1＝75℃，@V_R＝48V。(获得烘箱温度75℃，48V下的反向电流)

I_R2@T_j2＝T_a2＝100℃，@V_R＝48V。(获得烘箱温度100℃，48V下的反向电流)

步骤2：进行有偏测试：I_R2B@T_a2＝100℃，@Bias＝48V，@V_R＝48V。(为了与上述无偏测试中100℃，48V条件下的电流值I_R2进行区分，此处有偏电压下的电流用I_R2B表示，此处的偏置电压和测试电压均为48V)

步骤3：计算T₀、I_R0。

步骤4：计算T_j、P_R、R_ja。

具体测试数据及计算结果见下表1：

实施例2：

测试样品型号：肖特基整流二极管DSS14；

测试条件：环境温度为T_a＝100℃时的R_ja测试；

已知：

样品数量：5只 封装形式：SOD-123FL

芯片尺寸：28mil 击穿电压：V_B>40V

本测试中所有I_R的测试电压：V_R＝32V

测试步骤：

步骤1：确定热敏校正曲线，进行无偏测试：

I_R1@T_j1＝T_a1＝75℃，@V_R＝32V。(获得烘箱温度75℃，32V下的反向电流)

I_R2@T_j2＝T_a2＝100℃，@V_R＝32V。(获得烘箱温度100℃，32V下的反向电流)

步骤2：进行有偏测试：I_R2B@T_a2＝100℃，@Bias＝32V，@V_R＝32V。(为了与上述无偏测试中100℃，32V条件下的电流值I_R2进行区分，此处有偏电压下的电流用I_R2B表示，此处的偏置电压和测试电压均为32V)

步骤3：计算T₀、I_R0。

步骤4：计算T_j、P_R、R_ja。

具体测试数据及计算结果见下表2：

上述两个实施例中的测试样品采用本实施例公开的测试方法所计算出的热阻值，经过与采用现有技术中热敏电压测试法所评测出的热阻值进行比较，两种评测方法所获得的热阻数据十分接近，可以说本发明所公开的肖特基二极管热阻测试方法完全可以替代热敏电压测试法，这样就为广大中小企业提供了测试条件，有利于肖特基二极管研发设计时的可靠性分析，也显著降低了测试成本，无需再额外配置专用测试设备。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：肖特基二极管的热敏校正曲线测试：

采用肖特基二极管的反向电流I_R作为热敏参数来表征肖特基二极管的结温T_j，肖特基二极管的热敏校正曲线方程为：

上式中，I_R0、T₀皆为常数，I_R0、T₀通过下列表达式计算获得：

T₀＝(T_j2-T_j1)/ln(I_R2/I_R1) (公式2)

或

将肖特基二极管放入烘箱中，设定烘箱温度为T_j1，达到热平衡后向肖特基二极管施加反向脉冲测试电压V_R，获取V_R下的反向电流I_R1；同理，设定烘箱温度为T_j2，达到热平衡后向肖特基二极管施加反向脉冲测试电压V_R，获取V_R下的反向电流I_R2；根据公式2计算出T₀，再根据公式3或公式4计算出I_R0；将计算获得的I_R0、T₀代入公式1绘制热敏校正曲线；

步骤2：对肖特基二极管施加稳态偏置电压条件下的反向电流I_RB测试：

将肖特基二极管放入烘箱中，设定烘箱温度为T_a，对肖特基二极管施加直流反向偏置电压V_RB；待烘箱温度稳定且读取到的反向电流I_RB值保持稳定后，记录此时的烘箱温度T_a、直流反向偏置电压V_RB、以及反向电流I_RB；

步骤3：肖特基二极管热阻R_ja计算：

将反向电流I_RB代入公式1中计算出此时的结温T_j；再依据反向功耗表达式P_R＝I_RB×V_RB计算出肖特基二极管在稳态反向偏置电压下的功耗P_R；最后根据公式R_ja＝(T_j-T_a)/P_R计算出热阻值R_ja。

2.根据权利要求1所述的一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，其特征在于：所述步骤1中，施加的反向脉冲测试电压V_R脉冲宽度小于等于2mS。

3.根据权利要求1所述的一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，其特征在于：所述步骤2中，烘箱温度T_a设定为低于肖特基二极管的额定工作结温20℃。

4.根据权利要求1所述的一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，其特征在于：所述步骤1中的反向脉冲测试电压V_R与步骤2中的直流反向偏置电压V_RB取值相同。

5.根据权利要求4所述的一种利用反向特性测试肖特基二极管热阻的方法，其特征在于：所述反向脉冲测试电压V_R或直流反向偏置电压V_RB取肖特基二极管反向重复峰值电压标称值的80％。

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